JPH0320520Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は、一部をセラミツクから構成したピス
トンにおける、セラミツク部分と金属部分との結
合技術に関するものである。

［従来の技術］ セラミツクの耐熱性、低熱伝導性を利用して、
セラミツクをピストンの構成材に用いる試みが
種々なされている。しかし、セラミツクは強度上
に問題があり、熱膨張の異なる金属材との結合技
術が確立されなければならない。

［考案が解決しようとする課題］ 現在までに報告または提案されているセラミツ
クピストンでは、金属とセラミツクとの接合が不
適当で、鋳込み時、または運転数時間ないし数十
時間で破損または損傷を生じており、熱応力、熱
歪に対する対策が不十分であつた。

たとえば、第１図に示した鋳込みピストンは、
ピストンクラウン１の下面に傘状のリブ２を形成
し、これをアルミ合金から成るピストン本体３に
鋳ぐるんだものであるが、セラミツクリブの膨出
部４と該膨出部とピストンクラウン下面との間に
侵入したアルミ合金の侵入部５の熱膨張係数の差
により、膨出部４には下向きの曲げが、侵入部５
には上向きの曲げが生じ、侵入部のつけ根のコー
ナ部からクラツク６が生じたりする。

また、第２図に示すような、ボルト７によりセ
ラミツクのピストンクラウン１をアルミ合金のピ
ストン本体３に緊締する構造では、アルミ合金側
の雌ねじ付金８に相当の集中荷重がかかり、へた
りを生じたりして、遊隙を生じたりすることがあ
る。

本考案は、セラミツク構成材を有するピストン
における上記のような熱膨張係数差による熱歪、
熱応力を解消し、遊隙の発生防止をはかり、集中
応力の分散をはかることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために、本考案のピストン
は、所定の材料よりなるピストン本体に、該ピス
トン本体よりも熱膨張係数の小さい異種材料より
なる別体を相互に抜脱を阻止する如く鋳んでなる
ピストンであつて、前記ピストン本体、別体にそ
れぞれ設けられた抜脱阻止部分はピストン径方向
へ突出した突起部を有しており、該各突起部のピ
ストン軸方向の少なくとも２つの面は収縮中心へ
向つて収束する係合面に形成され、前記突起部に
おける係合面以外の境界面ではピストン本体と別
体とを非接触としたものから成る。

［作用］ このように構成されたピストンいおいては、別
体（ピストンクラウン）とピストン本体との間に
熱膨張差が生じても、その熱膨張は別体の基準面
の中心を中心とする熱膨張として、別体の突起部
の上面とピストン本体の突起部の下面との間およ
び別体下面とピストン本体上面との間のすべりに
よつて無理なく吸収されるので、別体とピストン
本体との結合部の無理な熱歪、熱応力がかかるこ
とはない。したがつて別体をセラミツクから、ピ
ストン本体を金属から構成しても、セラミツクピ
ストンクラウンが損傷を生じることはなく、セラ
ミツクピストンの実現化がはかられる。

［実施例］ 以下に本考案に係るピストンの望ましい実施例
を図面を参照して説明する。

第３図は本考案の一実施例に係るピストンを示
している。ピストンは頂部を別体としてのセラミ
ツクから成るピストンクラウン１０にて、その他
をアルミ合金材のピストン本体１１にて構成され
る。ピストンクラウン１０の下面１２はピストン
軸線１３に直交して拡がる平面から成る。ピスト
ンクラウン下面１２には、下方に向つて延びる垂
下部１４と、該垂下部１４の下端から半径方向外
方に向つて膨出する突起部としての膨出部１５か
ら成るリブ１６がピストンクラウン１０に一体に
形成されている。膨出部１５の上面１７とピスト
ンクラウン下面１２との間には間隔がもたされて
いる。このようにリブ１６が形成されたセラミツ
ク製のピストンクラウン１０は、アルミ合金から
成るピストン本体１１に鋳ぐるまれている。この
鋳ぐるみにより、膨出部上面１７とピストンクラ
ウン下面１２との間の間隙に外側からピストン本
体１１の一部が浸入し、この突起部としての浸入
部１８と膨出部１５との噛み合いによつて、ピス
トンクラウン１０とピストン本体１１とは離脱不
能に係合される。

ピストンクラウン１０の膨出部１５の上面１７
と、ピストン本体１１の浸入部１８の下面１９と
は、共に、テーパ面に形成されており、このテー
パの傾斜は、ピストンクラウン下面１２を基準面
とした場合、該基準面の中心２０、すなわちピス
トンクラウン下面とピストン軸線１３との交点２
０からピストン半径方向外方にかつ下方に斜めに
延びる直線に一致するように設定されている。す
なわちテーパ面はピストンクラウン下面１２の中
心２０を頂点とし軸線がピストン軸線１３に一致
する円錐面上にある。

膨出部１５の上面１７と侵入部１８の下面１９
とは互に摺動可能に、間隙なく、接触されてお
り、ピストンクラウン下面１２とピストン本体１
１の上面２１も互に摺動可能にかつ間隙なく接触
されている。これらの接触面には鋳込み時に離形
材を塗布しておき、溶着が防がれる。また、ピス
トンクラウン１０のリブ１６の溝部および膨出部
１５の外径端には、ピストンクラウン１０とピス
トン本体１１との間に、それぞれクリアランス２
２，２３または緩衝材部が設けられており、半径
方向の熱膨張差を吸収できるようにしてある。こ
のクリアランス２２，２３は該部位に緩衝材２４
を取付けて鋳込むことによつて容易に形成され
る。また、リブ１６の膨出部１５の下面２５には
その上面１７と逆方向に傾斜するテーパがつけら
れており、断面係数が根本で増大されている。ま
たリブ１６が内周側面２６を有する場合は、該面
にそつて緩衝材２７が挿入される。なお、リブ１
６の内側のピストンクラウン下面は、リブ１６の
外側の基準面であるピストンクラウン下面と同一
平面内にある。

第４図は本考案のもうひとつの実施例を示して
いる。本実施例においては、リブ１６がピストン
クラウン下面１２に２個設けられており、ピスト
ンクラウン１０の慣性力により耐えるようになつ
ている。内側のリブ１６は、外側のリブ１６の内
周側面２６に相当する傾斜面を有していない他
は、外側のリブ１６に準じる構造を有している。
その他の点は第３図の実施例に準じるので、準じ
る部分に第３図と同一の符号を付して説明を省略
する。

なお、上記実施例ではピストンクラウン１０の
材料をセラミツクとしたが、セラミツクに限るも
のではない。

つぎに、本考案のピストンクにおける作用につ
いて説明する。

第５図は、第３図、第４図の実施例におけるリ
ブ１６の熱膨張差の吸収の原理を示している。同
図において、侵入部１８が△Ｔ温度上昇したとす
ると、座標（ｘ，ｙ）にある任意の点Ｃは、ｘ方
向で、△ｘ＝λx△Ｔ，ｙ方向で、△ｙ＝λy△Ｔ
変位して、座標（ｘ＋△ｘ，ｙ＋△ｙ）の新しい
点C′に移る。Ｃ点とC′点とが共に同一の示の傾斜
面上にあるためには、Ｃ点の基準面の中心２０に
対する勾配ｙ／ｘとC′点への移動の勾配△ｙ／△
ｘが同一でなければならない。ところで、上式よ
り、△ｙ／△ｘ＝λy△Ｔ／λx△Ｔ＝ｙ／ｘの関
係があるから、温度の如何を問わずｙ／ｘ＝△
ｙ／△ｘに満足されており、点Ｃと点C′とは同一
傾斜面内にある。

上記の関係は膨張部１５の熱膨張変位について
もいえることであり、膨出部１５のテーパ面上に
ある任意の点Ｃ（ｘ，ｙ）が熱膨張によつて新し
い点C′（ｘ＋△ｘ，ｙ＋△ｙ）に移つても、点Ｃ，
C′は共に同一の傾斜面内にある。

したがつて、膨出部１５にも侵入部１８も、そ
の接触面にある点は熱膨張によつて、点２０を通
るテーパ面内を変位するだけであり、この変位は
接触面が摺動可能面となつているから、互にすべ
つて、相手部材に荷重をかけることなく、吸収さ
れる。

しかも、同一テーパ面内における変位であるの
で、膨出部１５と侵入部１８との間に遊隙ができ
ることもなく、密着圧力が変わることもない。こ
のように遊隙の発生がないので、ピストンクラウ
ン１０からピストン本体１１にかかる燃焼圧は金
属部で均一に支圧され、ピストンクラウン１０に
無理な燃焼圧がかかることもない。

基準面の中心２０を通らない接触面には、熱膨
張差によつて熱応力が働くが、このようなおそれ
のある結合部は接触構造となつておらず、クリア
ランスを設けるかまたは緩衝材を介しての結合構
造となつているので、熱歪、熱応力は無理なく吸
収されている。

そのほか、リブ１６の膨出部１５のつけ根は、
下面２５を逆テーパとして、剛性を上げてあるの
で、ピストンクラウン１０の慣性力を十分支持で
きる。しかし、慣性力支持強度をさらに上げたい
ときは第４図の実施例のようにリブ１６を２つ設
ければよい。

［考案の効果］ 以上の通りであるから、本考案のピストンによ
るときは、つぎに掲げる種々の効果が得られる。

まず、別体とピストン本体との間に、たとえば
セラミツクピストンクラウンとアルミ合金ピスト
ン本体との間に、熱膨張差が生じても、突起部の
係合面におけるすべりによつて各突起部付近には
熱歪応力が加わらず、各突起部の損傷、塑性変形
は生じない。そして、突起部における係合面以外
の境界面を非接触としたので、突起部における他
の部分の熱膨張差による熱歪、熱応力を無理なく
吸収することができる。

また、別体とピストン本体との間の荷重伝達面
（係合面）に、熱膨張差があつても隙間を生じる
ことがないので、ピストン作動時に衝撃荷重が発
生せず、高い信頼性のセラミツク部材結合ピスト
ンを提供できる。なお、各突起部のピストン軸方
向の少なくとも２つの面は収縮中心に向つて収束
する係合面に形成されるので、突起部の先端部の
先端部分には鋭角は形成されず、構造的に有利と
なる。

さらに、別体としてのピストンクラウンをセラ
ミツクから構成すれば、断熱ピストンとなり、排
気熱量が増加するため、排熱回収により、エンジ
ン熱効率を向上できる。

さらにまた、ピストンクラウンをセラミツクか
ら構成すれば、ピストンの耐熱温度が向上でき、
高過給が可能となり、エンジン高出力を達成でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の鋳ぐるみピストンの断面図、第
２図は従来のボルト結合ピストンの断面図、第３
図は本考案の一実施例に係るピストンの断面図、
第４図は本考案のもうひとつの実施例に係るピス
トンの断面図、第５図は熱膨張変位に係る作用を
示すリブ部近傍の断面図、である。 １０……ピストンクラウン（別体）、１１……
ピストン本体、１２……ピストンクラウン下面
（係合面）、１３……ピストン軸線、１４……垂直
下部、１５……膨出部（突起部）、１６……リブ、
１７……膨出部上面（係合面）、１８……侵入部
（突起部）、１９……侵入部下面（係合面）、２０
……基準面中心、２１……ピストン本体上面（係
合面）、２２，２３……クリアランス、２４……
緩衝材、２５……膨出部下面、２６……リブ内周
側面、２７……緩衝材。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 所定の材料よりなるピストン本体に、該ピスト
   ン本体よりも熱膨張係数の小さい異種材料よりな
   る別体を相互に抜脱を阻止する如く鋳んでなるピ
   ストンであつて、前記ピストン本体、別体にそれ
   ぞれ設けられた抜脱阻止部分はピストン径方向へ
   突出した突起部を有しており、該各突起部のピス
   トン軸方向の少なくとも２つの面は収縮中心へ向
   つて収束する係合面に形成され、前記突起部にお
   ける係合面以外の境界面ではピストン本体と別体
   とが非接触であることを特徴とするピストン。